摘要：隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，優(yōu)化設(shè)計(jì)技術(shù)對機(jī)械零部件的優(yōu)化具有很大的促進(jìn)作用。 利用 SolidThinking 軟件可以簡單、快速的優(yōu)化模型，并對模型進(jìn)行高效的渲染環(huán)境。通過建立摩擦卷筒幾何模型的導(dǎo)入到 Inspire 軟件中對模型進(jìn)行拓?fù)鋬?yōu)化，使摩擦卷筒從概念設(shè)計(jì)階段找到了設(shè)計(jì)空間的最佳拓?fù)渎窂剑瑢δＰ瓦M(jìn)行造型設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)模型輕量化設(shè)計(jì)。為了使摩擦卷筒顯示得到更好效果，把優(yōu)化后模型導(dǎo)入到 Evolve 軟件中，對設(shè)計(jì)出結(jié)果進(jìn)行快速渲染，得到一個令人滿意設(shè)計(jì)。對同類產(chǎn)品的拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)具有 一定的理論依據(jù)和重要指導(dǎo)意義。 

     關(guān)鍵詞：SolidThinking Inspire 摩擦卷筒 優(yōu)化設(shè)計(jì) 輕量化      

     目前，機(jī)械零部件結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)廣泛的應(yīng)用到有限元的分析方法，如SolidThinking Inspire、HyperWorks軟件等，對機(jī)械結(jié)構(gòu)進(jìn)行拓?fù)鋬?yōu)化等諸多的優(yōu)化方法[1]。在大型工業(yè)零件的設(shè)計(jì)中，優(yōu)化技術(shù)已經(jīng)逐漸被設(shè)計(jì)師所接受，Altair公司推出SolidThinkingInspire 軟件，該軟件有利用于毫無設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)的領(lǐng)導(dǎo)者使用拓?fù)鋬?yōu)化技術(shù)優(yōu)化模型[2]。摩擦卷筒是實(shí)現(xiàn)集運(yùn)材索道跑車的起升作業(yè)的不可或缺的零部件[3]。摩擦卷筒對索道跑車的性能上起著關(guān)鍵作用，會直接影響到木材的生產(chǎn)安全、運(yùn)輸效率等，對摩擦卷筒的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)是非常有必要的[4]。使用SolidThinkingInspire軟件對摩擦卷筒進(jìn)行拓?fù)鋬?yōu)化，改變了傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方式，快速方便的實(shí)現(xiàn)摩擦卷筒的結(jié)構(gòu)材料的均勻分布，同時也為林業(yè)機(jī)械零部件優(yōu)化設(shè)計(jì)提供有限參考。

     1應(yīng)用Inspire的優(yōu)化設(shè)計(jì)

     拓?fù)鋬?yōu)化[5]在給定空間結(jié)構(gòu)中形狀優(yōu)化及分布材料的一種數(shù)學(xué)方法。在給定的約束條件下，將區(qū)域離散成有限單元網(wǎng)絡(luò)，根據(jù)每個單元計(jì)算材料特性，Optistruct優(yōu)化算法更改材料的分布，以用戶給定的設(shè)計(jì)目標(biāo)進(jìn)行優(yōu)化，通過在任意連續(xù)的迭代中目標(biāo)函數(shù)改變量低于給定公差時，即得到收斂結(jié)果。SolidThinking Inspire的拓?fù)鋬?yōu)化，從概念設(shè)計(jì)階段找到最后拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，綜合實(shí)用性及美學(xué)特點(diǎn)得到一個成功的機(jī)械設(shè)計(jì)產(chǎn)品。在給定的設(shè)計(jì)區(qū)域把尋求結(jié)構(gòu)的最優(yōu)拓?fù)鋯栴}轉(zhuǎn)化尋求最優(yōu)材料分布問題。 

     1.1建立幾何模型

     參照實(shí)驗(yàn)室中索道跑車，根據(jù)跑車的設(shè)計(jì)的圖紙，在三維實(shí)體建模軟件SolidWorks中建立摩擦卷筒的外圍和中間的軸孔，這些部件都是摩擦卷筒的必備部分，是主要的工作部分可供優(yōu)化的空間不大，故將其作為非設(shè)計(jì)空間參與計(jì)算，如圖1所示。

                                                                       圖1非設(shè)計(jì)空間幾何模型 

     連接摩擦卷筒外圍和中間軸孔的部分取著連接的作用，是建立設(shè)計(jì)空間作為拓?fù)鋬?yōu)化求解的空間位置，如圖2所示。

                                                                      圖2設(shè)計(jì)空間幾何模型 

     將上面兩個幾何模型都導(dǎo)入到Inspire軟件中，定義設(shè)計(jì)空間和非設(shè)計(jì)孔，如圖3所示，紫紅色部分是定義好的設(shè)計(jì)空間，灰色為非設(shè)計(jì)空間。由于設(shè)計(jì)空間是環(huán)形對稱結(jié)構(gòu)，為了得到更好的優(yōu)化結(jié)構(gòu)，給設(shè)計(jì)空間施加三個對稱約束。

                                                                      圖3Inspire劃分好的空間

     1.2邊界條件

     摩擦卷筒作為集運(yùn)材遙控跑車的一個重要的零部件，是用來纏繞和容納鋼索的，卷筒上的一端受到絞盤機(jī)的牽引，另一端帶動重物。動力經(jīng)傳動系把扭矩傳到卷筒變?yōu)榫硗采箱撍鞯臓恳Γ寻l(fā)動機(jī)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動變?yōu)榫硗采箱撍鞯闹本€運(yùn)動，以此牽引跑車拖集、提升和運(yùn)輸木材。本次設(shè)計(jì)的摩擦卷筒最大牽引力為29008N，鋼索型號選取為146×19NFC 1670BSZ，直徑為500mm，最大轉(zhuǎn)速為2.55r/s，受到最大力矩為7252000N·mm。摩擦卷筒轉(zhuǎn)動是在遙控跑車起吊重物起落作業(yè)時，由鋼絲繩牽引提供動力，摩擦卷筒只能繞著中心軸旋轉(zhuǎn)，即摩擦卷筒受到除繞著中心軸旋轉(zhuǎn)自由度外，其他方向的移動都是受到約束。在中心軸上施加固定約束，在曲面上施加載荷，如圖4所示。

                                                                      圖4約束、載荷施加位置

     1.3求解

     SolidThinking Inspire軟件采用優(yōu)化方法是變密度法，設(shè)計(jì)變量時設(shè)計(jì)域的單元密度，質(zhì)量分?jǐn)?shù)作為約束條件，以全局質(zhì)量分?jǐn)?shù)和結(jié)構(gòu)應(yīng)變能為結(jié)構(gòu)響應(yīng)，目標(biāo)函數(shù)是最小結(jié)構(gòu)應(yīng)變能[6]。Inspire求解過程非常簡單，只需在界面上提交幾個參數(shù)即可，如圖5所示。在求解目標(biāo)設(shè)置為最大剛度，質(zhì)量目標(biāo)中可以設(shè)置全部設(shè)計(jì)空間體積的百分制，設(shè)置為30%；模型不涉及頻率，所以設(shè)置頻率約束為無；在厚度約束中，設(shè)置最小化，可以輸入最小厚度，輸入值約束小，計(jì)算量越大，此設(shè)計(jì)為0.02m；最后按運(yùn)行，系統(tǒng)自動化求解。

                                                                      圖5求解界面

     1.4優(yōu)化結(jié)果

     設(shè)置好求解界面，提交計(jì)算后，得到最終結(jié)果。為了得到更好的結(jié)果，可以嘗試改變質(zhì)量目標(biāo)的設(shè)計(jì)百分比或減小厚度約束中尺寸等參數(shù)，多次計(jì)算后選擇最好的結(jié)果，如圖6 所示。

                                                                      圖6優(yōu)化結(jié)果 

     由圖6可知，優(yōu)化后模型在設(shè)計(jì)領(lǐng)域中減少了原設(shè)計(jì)領(lǐng)域的不必要的材料，在SolidThinkingInspire軟件中測量圖標(biāo)可以直接計(jì)算模型的質(zhì)量，原有模型的質(zhì)量為52.83Kg，優(yōu)化后模型質(zhì)量為45.54Kg，總體質(zhì)量上減少了13.8%。

     2在Evolve中渲染

     優(yōu)化后重新建立模型，為了更好的得到顯示效果，把新的模型進(jìn)行真實(shí)材料、光照等渲染，如圖7所示，把重建幾何模型導(dǎo)入到 SolidThinking Evolve中進(jìn)行渲染。

                                                                      圖 7 Evolve 中渲染模型

     Evolve軟件除了跟一般軟件類似外，還有一個簡單高效渲染引擎，能夠在默認(rèn)的效果下生成很多驚艷的效果，優(yōu)化后摩擦卷筒幾何模型賦予材質(zhì)后渲染得到的效果圖，如圖8所示。

                                                                      圖8渲染效果

     3結(jié)論

     采用SolidThinking軟件對摩擦卷筒進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，利用拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)出簡易的摩擦卷筒，并且能在短時間內(nèi)渲染出優(yōu)化后模型的環(huán)境材質(zhì)等。摩擦卷筒通過SolidThinking軟件，摩擦卷筒材料得到了合理的分布，減小了質(zhì)量，實(shí)現(xiàn)輕量化設(shè)計(jì)。SolidThinking軟件是從概念設(shè)計(jì)階段將造型與力學(xué)完美的結(jié)合，可以免去設(shè)計(jì)師對模型網(wǎng)格的劃分工作，減少設(shè)計(jì)時間。降低研發(fā)成本，提高技術(shù)水平，可以為同類產(chǎn)品的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供理論依據(jù)和數(shù)值參考，對實(shí)際的生產(chǎn)具有十分重要的知道意義。

     參考文獻(xiàn)：

[1] 張勝蘭，鄭冬黎，郝琪，等．基于 HyperWorks 的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)技術(shù)[M]．機(jī)械工業(yè)出版 社，2007：1-5． 

[2] SolidThingking Inspire 設(shè)計(jì)工程師基礎(chǔ)教練. Pdf． 

[3] 沈嶸楓．基于輕量化的運(yùn)材跑車齒輪減速機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)[J]．華中科技大學(xué)學(xué)報，2012，40(2)： 98-101． 

[4] 周新年，鄭端生，沈嶸楓，等．遙控跑車的遙控液壓技術(shù)研究進(jìn)展[J]．福建林業(yè)科技， 2012，39(2)：190-194． 

[5] Bendsoe MP，Sigmund O．Topology optimization：theory methods and  applications[M]．Springer Verlag，2003． 

[6] HyperWorks Help Version 13.0，Altair Engineering，Inc．

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